淺談立軸繩索鉆機在復雜地層探礦鉆探中的應用

張芳寅，楊軍彥，聞 義

（江西省地質局第三地質大隊，江西 九江 332000）

近年來，我國礦產行業經濟形式復蘇，時代不斷進步，人力資源相對緊缺的環境下，對探礦工程的要求也不斷提高。在探礦施工中立軸普通鉆探的缺點越凸明顯，在較復雜的巖層中巖芯采取率低、鉆進進尺慢、鉆工十分辛苦，已基本淘汰，只在路勘、房勘中繼續存在。即使現在有便攜式全液壓鉆機的更新使用，但它只在較完整的地層中施工效果確明顯，鉆機速度很快，卻在灰巖溶洞區及其他復雜地層中使用，鉆孔報廢率很高，因為他的口徑及動力都跟不上孔內事故的處理要求。

在這種環境下立軸式繩索取芯鉆機就必不可少，取芯率高、動力強、鉆進深度大、施工技術簡單等等。但在溶洞發育及復雜巖層中施工，沒有好的方法也會出現各種孔內事故，導致施工速度慢，鉆探材料消耗大等增加施工成本。探礦工程為了在復雜巖層中提高效率，降低成本，我們就得研究更好的施工方法來適應各種復雜的巖層。

1 復雜巖層的分類

1.1 鹽類地層

為水溶性地層，會造成鉆孔超徑、污染泥漿、孔壁掉塊及坍塌。

1.2 粘土、泥巖、頁巖地層

為水敏性地層，會導致膨脹縮徑、泥漿增稠、孔壁剝落等。

1.3 流砂、砂礫、松散破碎地層

包括松散孔隙性地層、風化裂隙發育地層、未膠結的構造破碎帶。極易發生漏水、涌水、涌砂、孔壁垮塌、鉆孔超徑等，給鉆探施工造成極大困難。

1.4 巖溶地層

溶隙、溶洞發育地層，比如石灰巖、大理巖等地層，易發生漏水、涌水、坍塌等現象，給鉆探施工造成不可小覷的困難，有效的進行護壁堵漏也是我們在施工中進行研究的重要方面。

2 復雜巖層鉆探施工中的主要工藝方法

2.1 選擇合理的泥漿配方

在復雜巖層中進行鉆探施工，在基本的操作規范施工外，一定要針對不同的巖層調配好相應的泥漿，是安全鉆探中的必要措施。

破碎帶巖層處使用合理的泥漿配比可使巖芯更加完整，不易破損，如下圖1、圖2，為同等地層處一般泥漿配比和合理泥漿配比所取復雜巖層巖芯的效果。固體礦產勘查中復雜巖層泥漿一般分為三類：①松散層泥漿，用于沙層、礫卵石層、破碎帶等機械性分散等地層泥漿；②水敏抑制性泥漿，用于土層、泥巖、頁巖等水敏性地層的泥漿；③水溶抑制性泥漿，用于巖鹽、鉀鹽、天然堿等水溶性地層的泥漿。

圖1 使用一般泥漿所取巖芯

圖2 使用合理泥漿所取巖芯

案例：青羊場銅礦詳查。地層為含泥紅砂巖，裂隙發育，上部風化層厚，深部破碎強烈，在剛開始的施工中由于泥漿配方的不合理，使得孔內沉積大量泥沙，在孔深500多米時導致埋鉆，處理結果是丟失鉆桿400多米，沒有達到設計孔深的要求。后經過反復試驗，根據巖層本身含有泥質的特點，利用植物膠、聚丙烯胺、純堿、低熒光防塌劑制作配方。配方為一立方米的水加植物膠5Kg、聚丙烯胺2Kg、純堿1.5Kg、低熒光防塌劑3Kg進行調配，泥漿比重1.1，粘度25s～30s，失水量10ml/30min,pH值8.5。并且在鉆進中要及時清換泥漿池泥漿，保證泥漿的比例純度，最終高效的完成該礦區的鉆探施工。

合理的泥漿配置，是鉆探施工中重要的工藝方法，不僅能保持孔內干凈，同時又可以進行堵漏護壁，防止孔內事故的發生，才能安全順利的完成鉆探施工。

2.2 鉆孔結構的設計

在復雜地層中進行鉆探施工，首先要設計合理的鉆孔結構，針對地層的復雜程度及設計的鉆孔深度進行合理且留有余地的孔徑變化設計。

一般采用多徑成孔。一般選擇較大口徑Ф127開孔，穿過地表風化層后直接下Ф127套管進行護壁，防止坍塌導致埋鉆。然后換Ф110鉆具鉆進，過了破碎段后下Ф110套管，換Ф91鉆具鉆進，等巖層完整后可換Ф75鉆具一直到終孔。這樣可以對孔內深部發生的漏水、破碎、易垮塌部位進行及時有效的護壁處理，也可以在出現孔內事故后方便處理事故。

2.3 水泥在復雜地層中的運用

在一些特別復雜的地層中進行鉆探施工，水泥的運用有時是不可替代的，多用于碎石層、有溶洞地層，合理的使用可以進行有效的防塌堵漏，防止孔內事故的出現。

案例：廣令坡金礦詳查。該區地層為灰巖，巖層中由于構造帶極為發育，破碎強烈且膠結很差，充填大量砂層，施工段地表覆蓋幾十米厚的礦渣，施工鉆孔80%以上為75°斜孔，施工難度極大。特別是在碎石層上開孔，套管都無法下到位，垮孔程度難以想象。只有利用快干水泥進行封孔，再鉆進，再封孔的辦法進行施工。

2.4 鉆頭的使用技巧

在復雜巖層中鉆進時，要根據巖層的軟硬變化及時更換相對應硬度的鉆頭，才能有效的達到理想進尺。一般遵循以柔克剛的原則，如果巖石為花崗巖、石英以及硅化較強的時候，鉆頭則選擇硬度在15°以下的金剛石；如果巖石為泥板巖、含泥砂巖等較軟地層時，鉆頭一般應該選擇硬度在25°以上的金剛石；如果巖石為細?；◢弾r或石英巖時，鉆進進尺極慢且鉆探消耗大的情況下，可以在孔內丟人石英小顆粒將鉆頭進行有意的打磨，使得鉆探更加鋒利，可以提高鉆進速度。

在松散的破碎地層中鉆進時，在鉆頭的配置上可以讓鉆頭外徑大鉆具1mm～2mm，比如Ф75鉆具配Ф76鉆頭。這樣鉆桿和鉆具與孔壁之間有了一定的間隙，可以防止掉渣卡鉆，泥漿反渣效果更好，緩解泥漿泵壓力，從而防止了堵鉆事故的發生。

2.5 雙管鉆具的使用

針對云南芒市上芒崗金礦鉆進中含礦層破碎，取芯要求高，采用∮110單管鉆進時巖心采取率，孔內事故頻發的現象，探索研究出一套可成功將∮110和∮95雙管鉆進與繩索取芯鉆進完美結合的鉆探施工工藝(見圖3雙管鉆具簡易剖面示意圖），較好地解決了破碎含礦地層的鉆進施工難題，保證了含礦地層的取芯率。

圖3 雙管鉆具簡易剖面示意圖

2.5.1 雙管鉆具的配制

（1）組合雙管變徑短接手，在加工時保證內孔和外絲較高的同心度。

（2）內孔與鉆桿外徑有較小的間隙配合，使復合雙管變徑短接手與鉆桿焊接不產生變形和扭曲，保證∮110單管鉆具和HQ95繩索取芯鉆具的同心度。

（3）焊接部位牢固。在現場要求具有較好焊接水平的人員進行焊接，焊接時應做好各部位的冷卻處理工作，保證各部件不因焊接高溫產生脆變，影響使用效果或產生脫焊，扭斷等事故發生。

（4）∮110單管鉆頭與HQ95繩索取芯鉆頭配合距離間隙不易過大或過小，一般控制在9mm～10mm，這樣能保證鉆井過程中邊打過擴，鉆孔和擴孔同時進行有利于保證鉆孔的同心度，又利于鉆頭的冷卻和排除巖屑。

（5）∮110單管鉆頭具有鉆孔和擴孔作用，但主要作用是擴孔，所以∮110單管鉆頭選用胎體硬度35～40目，金剛石濃度65%～80%?！?10單管鉆具外管選用厚壁鋼管，保證其材質的剛度。

（6）設計加工復合雙管鉆具務必保持精準的同心度，保證主動鉆桿、HQ95繩索鉆桿、復合雙管鉆具三者在一條軸心線上。

2.5.2 雙管鉆具鉆進技術

（1）上部覆蓋層和不穩定地層，∮127開孔，采用干鉆或控制泵量保濕狀態鉆進，保證巖心采取率85%以上。

（2）安裝好第一級∮127套管后，做好孔口封閉工作，然后直接采用∮110-HQ95組合繩索鉆具鉆進，要求開孔時一律采用全新∮110鉆頭和∮95鉆頭和擴孔器，避免后期更換鉆頭掃孔現象，鉆具入孔前應認真仔細檢查各部件的連接、鉆桿和內管彎曲和磨損量、鉆頭間隙及牢固程度。

（3）復合繩索鉆具入孔前，應培制好鉆孔沖洗液，首先進行鉆孔沖冼，待孔內干凈后再觸底輕掃，不可一桿到底加壓鉆進，避免鉆頭損壞。

（4）掃孔接觸新層面后，開始應輕壓慢速鉆進，保證鉆孔的方位和頂角不偏斜。

（5）隨著鉆孔深度不斷增加，可適當調整鉆進壓力和鉆進速度，考慮該礦區淺部地層較破碎，沖洗液漏失嚴重，故建議鉆進速度不宜過高。

（6）鉆進過程中應隨時觀察鉆進進尺變化，熟悉掌握各巖層分布規律，把控好巖心采取率，當鉆進速度過快時應立即提內管取心觀察，若巖心采取率偏低，應減少泵量，縮短鉆進進尺，避免盲目快速而漏失地層。當鉆進緩慢或不進尺時也應立即提內管取心觀察，分析清楚原因后再下鉆施工，避免巖心堵塞而造成巖心磨損，禁止鉆進緩慢時上下搗桿行為。

（7）當鉆進至穩定地層后，安裝∮108套管，做好孔口和孔底的封閉工作，改用HQ95繩索鉆具鉆進，鉆進過程盡量保證三級口徑終孔。

2.5.3 組合雙管繩索鉆具優點

（1）組合雙管變徑短接手結構簡單，加工方便，投入成本低，整體重量輕，便以安裝與拆解。

（2）組合雙管繩索鉆具使用優化了施工程序，減少了起下套管次數，降低了工人勞動強度。

（3）復合雙管繩索鉆具具有一定剛度，鉆孔不易偏斜。也避免了鉆孔換徑后擴孔不使用導正的鉆具或導正鉆具擴孔都容易造成的第二次偏斜，保障了鉆孔的成功率。

（4）組合雙管繩索鉆具使用增大了鉆孔與鉆桿之間環狀間隙，減少了鉆進時對孔壁的破壞，同時有利于沖洗液流動，排除巖粉巖渣干凈，從而減少了掉塊卡鉆，鉆孔坍塌、埋鉆事故。

（5）組合雙管繩索鉆具使用提高了鉆進效益，鉆機臺效明顯提高，降低了材料成本，產生了較好的經濟效益和地質效益。

（6）組合雙管繩索鉆具使用提高了巖心采取率，達到并滿足地質技術要求。由于巖心采取率高，找礦成果質量高，產生了良好的社會效益。

3 結語

目前大部分探礦鉆探施工都用繩索取芯鉆機，如XY-2、XY-4、XY-5等立軸式鉆機設備以及便攜式全液壓繩索取芯鉆探設備等。在此只是通過在多個礦山的施工過程遇到復雜的地層，給我們施工造成的困難，淺談了自己的一些經驗。由于在這些復雜的地層中，繩索取芯鉆機施工還是有一定相應的弊端，所以我們應盡可能的運用其它相關輔助材料及科學的施工方法來配合施工，才能有效的達到地質目的并降低施工成本。

組合雙管繩索鉆具的改良，讓項目部走出施工復雜地層的陰影，培養增強施工工人和技術人員的信心，樹立科學鉆探理念，探索日益成熟的鉆探工藝，贏得探礦工程的市場奠定了基礎。

隨著鉆探設備及施工技術的逐步發展，面對復雜的巖層及孔內情況的多變性，單靠現有的鉆探設備和以往的工作經驗是無法滿足未來探礦行業的需求，因此，必須在全面了解地質環境的基礎上，采用先進的鉆探設備和技術才能更好的實現探礦目的和經濟效益。